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除了自己的无知， －苏格拉底 |
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本文 第三节 发表于 2015 年 12 月 11 日的《南方周末》， 发表稿的标题为 “殖民火星 ——兼谈《火星救援》的几处穿帮”； 本文的全文发表于《现代物理知识》2016 年第 3 期 (中国科学院高能物理研究所)。 |
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电子书 “太阳系三部曲” 已制作完成 探寻生命的踪迹——火星 - 经典行星的故事 -
如果说地球是太阳系行星中最难写的， 那火星 (Mars) 毫无争议可以坐上第二把交椅， 不仅同样有资料太多的问题， 而且还有一个很要命的特点， 那就是不断有新的探测器造访火星， 甚至老探测器的资料也还在持续发掘和整理之中。 由此造成的后果， 是时不时就会冒出个新闻发布会， 披露点新信息， 使旧文遭遇尴尬。 怎么办呢？ 还是老一套， 挑一个特殊视角来写。 随着水星和金星表面存在生命的想象相继破灭， 火星成了地球以外的太阳系行星中表面存在生命的最后希望[注一]。 这一特点正是过去几十年人们对火星的兴趣经久不衰的主要原因之一， 也将是本文的主要视角。 不过与地球的情形相似， 哪怕写这么一个特殊视角， 难度也依然不小。 因为每一个新的火星探测器都有可能带来新的信息， 作出新的结论或推翻旧的结论。 有鉴于此， 本文将只用一半篇幅适度笼统地介绍对火星生命的探索， 而将另一半篇幅留给一个半科幻、 但也跟生命有关的话题——人类移居火星的可能性。 先介绍一点基本的火星信息吧。 火星是太阳系中自内向外的第四颗行星， 也是目前所知离太阳最远的类地行星[注二]。 火星离太阳的近日点和远日点距离分别约为 2.07 亿公里 (约合 1.38 天文单位) 和 2.49 亿公里 (约合 1.67 天文单位)， 轨道偏心率约为 0.09， 在太阳系行星中仅次于水星， 居第二高。 由于离太阳更远， 火星表面的平均温度比地球低。 由于火星大气远比地球大气稀薄， 表面大气密度只有地球表面大气密度的 1.6% 左右， 平均气压只有地球表面气压的 0.6% 左右 (感兴趣的读者请想一想， 这两个比例为何不同？)， 保温能力差， 因而火星表面的昼夜温差和季节温差都远比地球上的大。 在冬季极地上的夜晚， 火星表面的温度可以低到零下 140 摄氏度 (—140°C) 以下； 而在夏季赤道上的白天， 温度则可以高达 35 摄氏度 (35°C) 以上。 哪怕在同一地点、 同一季节， 火星表面的昼夜温差也可以超过 100 摄氏度， 用地球上的温度来比拟的话， 相当于从夏季的海南突然转到冬季的南极。 这种环境无疑是恶劣的， 但 “比上不足， 比下有余”， 相较于水星和金星来说却是好得太多了。 与这种 “好” 相匹配的是， 火星的自转周期约为 24 小时 37 分钟， 跟地球上的 “天” 接近到了感觉难以分辨的程度， 与一 “天” 等于两 “年” 的水星及逆向自转的金星相比， 是很让人亲切的， 起码对生物钟没什么挑战。 此外， 火星自转平面与公转平面的夹角约为 25.2°， 跟地球的 23.4° 也相当接近， 意味着火星也有类似于地球的四季， 只不过由于离太阳更远， 火星的公转周期比地球公转周期长了近一倍， 相应的， 每个季节也比地球上的季节来得长[注三]。 火星的块头则是太阳系八大行星中的 “小二”——仅大于水星。 它的质量约为 64,000 亿亿 (6.4×1020) 吨， 接近水星的两倍， 仅相当于地球的 1/10 强。 由于自转较快产生的离心作用， 火星的形状不像自转缓慢的水星和金星那样接近球形， 而是像地球一样略扁。 具体地说， 火星沿两极和赤道方向的直径分别约为 6,752 公里和 6,792 公里， 扁率 (oblateness) 约为 0.006。 由这些数据——忽略扁率——不难估算出火星的表面重力加速度几乎与水星的相同， 约为 3.7 米/秒2， 相当于地球表面重力加速度的 40% 左右。 一个质量比水星大了近一倍的行星的表面重力加速度跟水星的几乎相同， 意味着它的平均密度比水星低。 事实上， 由上面的数据不难估算出火星的平均密度约为 3.9 克/厘米3， 比水星的 5.4 克/厘米3 低得多[注四]。 由上面的数据可以估算出的另一个结果是： 火星的表面积约为地球表面积的 28%， 很接近地球上的陆地总面积。 火星作为 “经典” 行星中的一员， 人类对它有极漫长的观测史。 它的偏红的颜色容易让人联想起 “血” 与 “火”， 因此中国人用 “火” 命名了它， 古巴比伦人将它与死亡之神内尔伽勒 (Nergal) 联系在了一起， 古希腊人则将它视为了战神。 这种联想一直延伸到了近代和现代， 并且影响到了科幻小说。 在早期的科幻小说中， 很多行星上的人都被想象为是和平的， 甚至美丽的， 火星人却在较多的小说中被赋予了进攻性， 形象也大都丑怪 (当然也并非全无例外)。 比如英国科幻作家威尔斯 (H. G. Wells) 那部被数度拍成电影的著名小说《世界之战》(The War of the Worlds) 中的火星人就是野蛮、 残忍并且丑怪的。 与对金星的种种想象不仅体现在小说家的笔下， 而且还导致了科学家的错误相类似， 人们对火星的种种遐想也渗透到了科学家身上， 使他们做出了一厢情愿的 “发现”， 其中最著名的无疑是所谓的 “火星运河” (Martian canal)， 它得到了美国天文学家罗威尔 (Percival Lowell) 的坚定支持。 截至 1916 年去世时为止， 罗威尔总共记录下了 700 多条火星运河。 在那个阶段， 人类自己正努力开掘并完成了巴拿马运河 (Panama Canal)， 就当时而言， 那是一项高科技的超大型工程。 火星运河的 “发现” 极大地丰富了罗威尔对火星人的想象。 在他的想象里， 火星人精通数学、 擅长发明， 具有比人类更高超的技术。 不过， 要想被罗威尔的望远镜看到， 火星运河的宽度必须达到近乎荒谬的 50 公里， 对于这个诘难， 罗威尔轻而易举就杜撰出了答案： 我们看到的是运河两岸的种植区。 在数以百计的文章、 书信和讲座中， 罗威尔不仅想象了运河两岸的种植区， 还言辞凿凿地描绘了植物季节性生长造成的火星颜色改变， 并且指出了哪里是城市， 哪里在凿井…… 等等的细节。 不难想象， 对罗威尔来说， 在自家后院里支起望远镜就能观察一种外星球高等生命的奥秘是有无穷吸引力的， 因此终其一生都乐此不疲于这种在心理学上被称为 “幻想性视错觉” (Pareidolia) 的想象。 相比于他这种宏大的想象， 后世那些把个别火星地貌诠释成人脸的想象实在是小巫见大巫了， 但实质是一样的。 天文学的发展并没有为罗威尔的想象提供支持。 早在他那个时代， 就有很多人从估算火星表面温度等角度入手， 对罗威尔的想象提出了尖锐批评。 进入 20 世纪中叶以后， 由于以最近距离而论火星是仅次于金星离地球第二近的行星， 用行星探测器探测火星也是起步较早的。 自那时以来， 火星作为地球以外的太阳系行星中表面存在生命的最后希望， 吸引着人们不断发射探测器， 进行轨道或登陆探测。 探测的结果如何呢？ 20 世纪 60 年代， 当美国的 “水手” (Mariner) 系列行星探测器中的 “水手 4 号” (Mariner 4)[注五]、 “水手 6 号” (Mariner 6) 和 “水手 7 号” (Mariner 7) 先后完成了对火星的掠过式探测时， 它们发回的相片显示了与月球有一定相似性的布满了陨石坑的死寂地貌。 这种结果跟同期探知的火星表面气压只有地球的 1% 左右， 以及火星的平均温度相当寒冷， 水要么因寒冷而凝结成冰， 要么因低压而蒸发逃逸， 从而不太可能以液态存在等结论相一致， 沉重打击了有关火星生命——尤其是高等生命——的想象。 但火星探索的曲折之处在于， 这三个早期探测器所拍摄的类似于月球的地貌很快被证明为是局部的， 因而有可能高估了火星的整体荒凉程度。 20 世纪 70 年代， 随着首个环绕火星的探测器 “水手 9 号” (Mariner 9) 及最早登陆火星的 “海盗 1 号” (Viking 1)、 “海盗 2 号” (Viking 2) 探测器的成功， 天文学家们对火星地貌有了广泛得多的了解， 其中包括发现了类似于地球上沙漠， 从而明显不同于月球的地貌。 同期的几个部分成功的苏联探测器也证实了这些发现。 这些发现对火星上存在高等生命的想象虽依然是一种打击， 却为初等生命的存在保留了一线希望， 毕竟哪怕类似于地球上的沙漠， 相较于水星和金星的严酷环境来说也还是好得太多了。 不过更重大的发现则是来自 2012 年 8 月 6 日登陆火星的美国 “好奇号” (Curiosity) 火星登陆车。 这个火星登陆车的技术远比以往的先进， 仅相机就有 17 台之多， 堪称浑身是 “眼”。 “好奇号” 登陆火星后， 立刻张开了好奇的 “眼睛” (相机) 打量火星， 而大批科学家则在遥远的地球上等候第一张相片的传回。 当信号经过几分钟的延迟， 以光速穿越了行星际空间来到地球， 并被还原为图像时， 控制室里响起了热烈的欢呼声， 但几位地质学家却诧异得目瞪口呆， 因为他们训练有素的眼睛敏锐地捕捉到了相片上的卵石， 以及卵石背后熟悉而不可思议的东西： 水流的遗迹！ 当然， 这并不是科学家们初次在火星上发现水的证据。 事实上， 2008 年登陆火星的美国 “凤凰号” (Phoenix) 探测器就已发现了很强的证据， 表明火星上存在水， 不过那水基本上是冰冻的 (这也符合火星上低温低压的环境)。 2011 年， 美国国家航空航天局 (NASA) 宣布了另一个引人注目的消息： 亚利桑那大学 (University of Arizona) 的尼泊尔学生欧嘉 (Lujendra Ojha) 从 “火星侦察轨道器” (Mars Reconnaissance Orbiter) 发回的相片中发现了某些陨石坑的壁上存在着疑似季节性水流造成的痕迹[注六]。 不过那些发现针对的都要么是固态的水， 要么是微量且为时短暂的液态水。 而 “好奇号” 所发现的那些痕迹则不然， 要想形成诸如卵石那样的遗迹， 火星上的水不仅必须是液态的， 而且还必须存在过很长的时间。 用加州大学伯克利分校 (University of California, Berkeley) 的地貌专家迪特里希 (Bill Dietrich) 的话说， 这些卵石等的发现 “意味着我们极有可能正好降落在了一个古老的河床上”。
当然， 仅凭一些卵石就断言火星表面曾经有过长时间的液态水是不够充分的， 因此科学家们遥控 “好奇号” 搜寻着进一步的证据。 由于火星表面的环境比金星表面的好得多， 火星探测器可以存活的时间比金星探测器长得多， 甚至能长达数年。 在接下来的一段时间里， “好奇号” 不负众望， 在前往一个指定目标的途中， 又拍摄到了许多很可能被水流这把手术刀 “整容” 过的地貌， 比如水成岩 (sedimental rock)。 最终， 在经过了很多个兴奋而忙碌的不眠之夜后， 多数天文学家形成了共识： 虽然对远古遗迹很难做出完全肯定的判断， 但诸多证据合在一起已构成颇为强大的 “证据链”， 一致指向了火星表面曾经有过大量及长时间的液态水的可能性。 另一方面， “好奇号” 自着陆伊始起就陆续发现水流的遗迹并非偶然， 而是建立在大量前期研究的基础之上的。 事实上， “好奇号” 的着陆地点是科学家们在研究了火星轨道探测器拍摄的大量图片之后精心挑选的一处类似于地球上 “冲积扇” (alluvial fan) 的地区。 在地球上， “冲积扇” 是河流沉积作用形成的典型地貌。 因此， “好奇号” 在这种地区发现水流的遗迹， 与着陆地点的选取本身也构成了证据链。 此外， 与火星表面曾经有过大量及长时间的液态水的可能性相一致的还有自上世纪 90 年代中期以来火星轨道探测器从高空拍摄的类似于河道及三角洲的相片。 用前面提到过的地貌专家迪特里希的话说， 几十年来， 很多研究者早就从那些相片中推测某些地方是河床， 某些地方是三角洲， “好奇号” 的发现几乎是对那些推测， 以及数以百计与水流有关的地貌特征的直接证实， 它开启了理解火星上的水的新时代。 从这个角度讲， “好奇号” 的不负众望与此前的一系列火星探测是有密切传承关系的。 在综合了所有这些观测的基础上， 很多天文学家相信， 火星上远古曾经有过存在大量液态水的温湿时期。 具体到 “好奇号” 的发现上， 一些天文学家认为包括 “好奇号” 着陆地点在内的如今被称为 “盖尔陨石坑” (Gale crater) 的地区在大约 36 亿年前曾遭到一颗大陨石的撞击 (直径约达 154 公里的 “盖尔陨石坑” 由此形成)， 撞击产生的热量对液态水的出现起到了促进作用。 液态水的存在时间有多长很难确切估计， 但从其对地貌的改变程度来看， 起码是几千年， 甚至长达几百万年也不无可能。 当然， 这一切背后的很多细节还不清楚， 很多疑团还待澄清。 比如存在时间如此之长的液态水要求当时火星的气候远比现在暖和， 大气层也远比现在浓密 (否则液态水就算出现了也维持不了那么长的时间)， 但这方面的独立证据还很缺乏。 更糟糕的是， 我们在 上一篇 中曾经提到过， 我们的太阳自进入主序星那会儿算起， 光度已增加了 40% 左右。 这表明火星这颗现在就很寒冷的行星在远古时期由于太阳的光度比现在更小， 应该更寒冷才对， 如何反而会有比现在暖和得多的气候呢？ 那样的气候需要一个适当的模型， 而这方面迄今尚无满意答案。 当然， 对于推测如此远古的状态来说出现种种困难也是不足为奇的。 在迄今为止的火星探测——尤其是成绩最斐然的美国国家航空航天局的火星探测——中， 对水——尤其是液态水——的探测始终是一个重点， 从某种意义上讲， 说火星探测是 “跟着水流走” 也并不为过。 这其中的一个重要动机， 是为了探寻生命的踪迹。 不过， 与对水乃至液态水的探索的卓有成效， 以及信心和证据的日益充分不同， 我们对火星生命的探寻并不顺利， 虽时常能创造新闻——甚至头条新闻， 却始终不曾获得过哪怕稍稍过硬点的证据。 用某些科学家的话说， 迄今对火星生命的探寻仿佛在坐过山车。 确实， 这种时而冲上云霄， 将媒体刺激得尖叫不已， 时而又沉入低谷， 让公众几乎忘了这话题的过程， 以及在经历过诸多大起大落之后， 最终仿佛又回到原点的感觉真的很像坐过山车。 当然， 这种长期无法取得进展的探索在科学上是屡见不鲜的， 挫折虽多， 努力无疑仍将继续。 用另一个角度来比喻的话， 寻找火星生命仿佛试图证明一个艰深的数学猜想， 时不时有人宣称证明了， 却一再被发现是错误的或有待进一步检验。 不过事先也许想不到的是， 在有关火星生命的诸多 “证明” 中， 一个很著名的例子居然是发生在地球上而不是火星上。 1996 年， 美国国家航空航天局下属的约翰逊宇航中心 (Johnson Space Center) 的科学家麦凯 (David McKay) 等人在《科学》(Science) 杂志上发表文章， 提出了一个惊人的观点， 那就是 1984 年在南极地区发现的一块火星陨石含有生命痕迹。 这一发现不仅在媒体和公众中引起了很大轰动， 连当时的美国总统克林顿 (Bill Clinton) 都被惊动了。 按照麦凯等人的观点， 那块陨石的成分显示其来自火星， 形成于大约 40 亿年前。 此外， 经受宇宙线照射的痕迹显示那块陨石在不受行星大气保护的环境下存在了 1,700 万年左右， 并于大约 13,000 年前终止——这表明该陨石大约在 1,700 万年前被抛离火星 (抛离的原因可能是火星遭受大陨星的撞击， 致使岩石飞溅)， 在太空中经过了漫长遨游后于大约 13,000 年前掉落到地球上的南极地区。 由于 “40 亿年前” 这一年龄比当时认为的地球生命的起源年代更久远[注七]， 麦凯等人的这一 “发现” 不仅作为火星生命的可能证据吸引了眼球， 而且受到了我们 上一篇 介绍过的 “稀有地球假设” 的支持者们的欢迎， 并被吸纳为了地球稀有的又一个因素， 即地球生命需要一个像火星那样的行星来 “播种”。 这一因素如果成立， 那么我们自己就成了火星生命的后裔， 从某种意义上讲， 甚至可以干脆称我们自己为火星人了。 不过这一因素实在是太过拙劣了 (因此没在 上一篇 中提及)， 因为哪怕有关那块陨石的一切判断都成立， 也丝毫说明不了火星生命是地球生命起源所必须的。 火星就算曾经有过液态水， 也远远比不上有几十亿年可栖息条件的地球， 火星上就算比地球更早产生过生命， 甚至早在地球生命出现之前就曾被陨石带到了地球上 (麦凯等人提到的那块陨石不在此列， 因为那是 13,000 年前才落到地球上的)， 也不说明地球生命就一定是它的后裔， 更没有理由认为没有它， 条件优越得多的地球就不能自己产生生命。 更何况那块陨石上被麦凯等人视为生命痕迹的细微结构究竟算不算得上是生命痕迹， 是源自火星还是落到地球上之后被沾染的， 也都大有争议。 因此， 麦凯等人的观点虽一度轰动， 后来却受到了科学家们的广泛质疑并引发了激烈争论。 从目前的情况看， 质疑明显占了上风， 麦凯等人的观点未被科学界所接受。 这一事件对于寻找火星生命来说是有一定的代表性的， 因为作为质疑焦点之一的生命痕迹究竟源自火星还是来自地球物质的沾染， 在有关火星生命的其他 “发现” 或 “疑似发现” 中也是质疑焦点， 并且迄今没有一个 “发现” 能令人信服地经受住那样的质疑。 比如 20 世纪 70 年代的 “海盗号” (Viking) 和上面提到的相对新近的 “好奇号” 都在火星土壤样本中找到了诸如氯甲烷 (chloromethane) 或二氯甲烷 (dichloromethane) 那样的有机物， 但都因为无法排除、 甚至有迹象显示是来自地球的沾染而无法确立结果的有效性。 关于寻找火星生命， 还有一点值得提醒， 那就是所谓 “生命” 或 “原始生命” 那样的字眼， 真正所指的其实只是某些有可能——但并非必然——由生命产生的有机物。 因此， 哪怕确立了结果的有效性， 跟发现火星生命也不是一回事。 因此， 迄今的一切探寻距离发现火星生命——倘若有的话——还差得很远， 以至于有科学家风趣地表示 “有关 [火星] 生命的传闻被显著夸大了” (the rumor of life greatly exaggerated)[注八]。 如果要从迄今为止探寻火星生命的努力中归纳出什么结论的话， 那么也许只有一点是可以肯定的， 那就是火星上绝不可能存在如威尔斯小说所描绘的、 或如罗威尔所想象的那种能侵略地球或开挖运河的高等生命。 当然， 这并不意味着在火星上探寻生命的踪迹已不再重要， 由于地球是我们迄今所知的唯一生命来源， 而地球上的一切生命由于长期生活在共同环境里相互影响， 无论多么千变万化， 都是同一株生命之树上的枝叶， 都很可能存在由环境所决定的特殊性。 从这个意义上讲， 倘若能在独立于地球环境的火星上发现生命， 哪怕只是原始生命， 也完全有可能大大、 甚至革命性地增加我们对生命的了解， 并深刻影响我们对宇宙中生命是普遍还是特殊的评估。
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2015 年 11 月 26 日完稿 站长往年同日 (12 月 14 日) 发表的作品
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